Esfuerzo normal - Universidad Politécnica de Madrid

Esfuerzo normal
I. Romero
ETSI Industriales, Universidad Politécnica de Madrid
ignacio.romero@upm.es
13 de octubre de 2016
2.
En este tema se estudia la respuesta mecánica de
barras (o de forma más precisa barras rectas) sometidas a esfuerzo normal. Este análisis consiste en
calcular cuáles son las tensiones que provocan estos
esfuerzos, ası́ como las deformaciones que originan.
Además, se incluirán los efectos que se derivan de
un cambio de temperatura y defectos de fabricación
en estos sólidos pues, como se verá más adelante,
están muy relacionadas con los del esfuerzo normal.
Cuando una barra se encuentra sometida a un
esfuerzo normal igual para todas sus secciones se
dice que está a tracción o compresión pura. Este caso es muy habitual y se puede demostrar que
ocurre en barras bi-articuladas, rectas cuando las
únicas fuerzas que sufren están aplicadas sobre sus
extremos.
1.
Equilibrio
Para poder expresar analı́ticamente el estado de
esfuerzos en una barra es imprescindible caracterizar con un signo, positivo o negativo, el sentido
del esfuerzo en una tensión. Para ello tomamos el
convenio de que esfuerzos normales de tracción (salientes de una sección) son positivos, y los de compresión (entrantes) son negativos.
Consideremos una barra recta y un sistema de
coordenadas en uno de sus extremos de forma que
la coordenada x coincida con la directriz. Si esta
barra está sometida a una fuerza por unidad de
superficie p = p(x) en dirección y sentido del eje x,
la ecuación diferencial que expresa el equilibrio de
la barra es
dN
+p=0 .
(2)
dx
Tensiones en barras sometidas a
esfuerzo normal
3.
Deformación
Cuando una barra recta está sometida a esfuerzo
normal, las tensiones en cada una de sus secciones
debidas a este esfuerzo son sólo normales a ésta y
de valor
N
(1)
σ=
A
En el sistema de coordenadas definido sobre la
barra, la tensiones σ tienen la dirección del eje x y
por tanto hay deformaciones longitudinales y transversales. La deformación longitudinal ε = σ/E y
por tanto
N (x)
siendo N y A, respectivamente el esfuerzo normal
ε(x) =
.
(3)
E(x)A(x)
y el área de la sección. Si la sección de la barra es
de sección constante, entonces se puede demostrar
La cantidad EA en el denominador se conoce como
que la fórmula 1 es exacta; si la sección de la barra
la rigidez axial de la sección.
cambia suavemente, la expresión es muy precisa;
Se consideran ahora dos secciones, las corresponen un cambio de sección brusco esta fórmula no es
dientes
a las coordenadas xa y xb . El alargamiento
válida y aparece concentración de tensiones.
del segmento comprendido entre estas dos secciones
será
p(x)
Z xb
Z xb
N (x)
∆`ab =
ε(x) dx =
dx . (4)
xa
xa E(x)A(x)
x
N (x)
N (x + dx)
Habitualmente, lo más interesante es calcular el incremento de longitud total de una barra de longitud
inicial ` que llamamos simplemente ∆`. En el caso
de que la rigidez axial sea constante este incremento
es
N`
∆` =
.
(5)
EA
Figura 1: Barra recta sometida a esfuerzo normal
1
Esfuerzo normal
4.
I. Romero
Energı́a
energı́a elástica almacenada debido al esfuerzo normal es
Supongamos que una barra elástica está someZ x2
N 2 (x)
tida a esfuerzo normal N = N (x) y tiene una riU=
dx.
(10)
gidez axial EA(x). Esta barra, en general, puede
x1 2EA(x)
estar sometida a cargas p por unidad de longitud
en dirección y sentido de la directriz y dos cargas
5. Efectos térmicos y de montaje
puntuales en sus extremos que denominamos P1 y
P2 con dirección y sentido del eje x. Las ecuaciones
En el caso de barras rectas, es habitual considedel equilibrio de esta barra son (2) y
rar los efectos que sobre ellas causan los saltos de
temperatura y también los excesos (falta) de longitud debido a los errores en fabricación o montaje. Si
El trabajo que hacen todas las fuerzas sobre la ba- la barra es de un material con coeficiente de dilatarra cuando ésta sufre un desplazamiento u = u(x) ción térmica α y ha sido fabricada con una longitud
δ mayor que su longitud nominal, su deformación
es, según el teorema de Clapeyron:
longitudinal será
Z
1
1
1 x2
p(x) u(x) dx − P1 u(x1 ) + P2 u(x2 ) .
W =
δ
N (X)
2 x1
2
2
+ α ∆T + .
(11)
ε(x) =
E(x)A(x)
`
(7)
Utilizando la ecuación del equilibrio en el interior En el caso de la que barra esté a tracción o comde la barra para reemplazar la carga distribuida presión pura y la rigidez axial de sus secciones sea
en la integral por la (menos) derivada del esfuer- constante, su alargamiento total será
zo normal, integrando por partes y utilizando las
N`
relaciones (6) se sigue que
+ α ∆T ` + δ ,
(12)
∆` =
EA
Z x2
N (x) du
dx .
(8) donde ∆T es el incremento de temperatura respecW =
2 dx
x1
to de una temperatura de referencia, donde se ha
medido la longitud nominal de la barra.
Como du
dx es igual a la deformación ε utilizamos la
Se puede demostrar, con un razonamiento algo
expresión (4), se sigue que el trabajo realizado por
más complejo que el de la sección 4, que en el caso
las fuerzas exteriores es
de una barra con deformación por temperatura y
Z x2
por defecto de forma, su energı́a elástica es
N 2 (x)
W =
dx.
(9)
Z x2 2
x1 2EA(x)
N (x)
δ
U=
+ N (x)(α∆T + ) dx.
2EA(x)
L
Como en una barra elásticas todo el trabajo se
x1
almacena en forma de energı́a, concluimos que la (13)
N (x1 ) = −P1 ,
N (x2 ) = P2 .
(6)